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Actuadores eléctricos vs. sistemas neumáticos

Reducción de costos y consumo energético

Bittor Larraioz Aristeguieta, gerente de Larraioz Electrónica Industrial24/10/2011

24 de octubre de 2011

La energía eléctrica forma parte de los gastos añadidos que dependen en gran medida de nuestra actitud personal. Podemos buscar multitud de vías para optimizar la eficiencia energética tales como apagar o disminuir la intensidad de las luces cuando no son necesarias; cambiar a bombillas de bajo consumo en vez de las clásicas y poco eficientes de incandescencia o halógenas, o llevar el ordenador a modo hibernación cuando no está en uso. Pero no sólo podemos y debemos buscar estrategias de eficiencia energética en nuestro día a día doméstico. También es un objetivo en el mundo de la automatización de máquinas y procesos.

El uso de la energía de una manera eficiente recortará de forma sustancial los costes de funcionamiento de nuestra empresa además de beneficiar el medio ambiente. Como resultado además mejorará la imagen que de nuestro negocio tenga la opinión pública. Es evidente y esencial una convergencia plena entre las necesidades de desarrollo tanto empresariales como de medio ambiente. La evolución de nuestra empresa y el desarrollo sostenible deben ir de la mano.

Larraioz cree seriamente en ello, y trabaja profundamente en la implementación de productos energéticamente eficientes, de forma que tanto su negocio como nuestro entorno se beneficien mutuamente. “Hoy en día realizar una ‘Automatización Verde’ es parte de nuestro trabajo”.

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Actuador eléctrico ExlaR.

Los sistemas LinMot, IaI, SmaC y ExlaR tienen como objetivo clave la sustitución de los tradicionales sistemas neumáticos (actuadores – cilindros). Todos estos sistemas utilizan la fuerza eléctrica como única fuente de energía. Con estos dispositivos se pueden realizar operaciones tan simples como las que realiza un cilindro neumático, desplazar una masa de un punto a otro, pero el hecho de que sean sistemas servocontrolados permitirá tener un control total de parámetros del movimiento tales como la aceleración, deceleración, velocidad o fuerza, además de infinitas posiciones de destino, realmente complicado de conseguir con las soluciones neumáticas. También se podrán realizar funciones mucho más complejas como sincronizaciones e interpolaciones entre diferentes ejes, emplear múltiples buses de comunicación y protocolos para enviar las secuencias de movimiento u obtener un feedback de la posición actual y estado de los actuadores.

Es indudable la capacidad de los actuadores eléctricos para sustituir en prestaciones a los cilindros neumáticos. Pero uno de los puntos que más preocupa a la empresa a la hora de decidirse por uno y otro concepto de sistema es el de los costes, si no el más importante hoy en día debido a la situación económica que vivimos en el ámbito internacional. Hasta hace bien poco era bastante sencillo dejarse llevar por la impresión de producto económico de las soluciones neumáticas, frente al habitualmente desembolso inicial superior de los sistemas eléctricos. Pero no está de más que nos fijemos en los costes de funcionamiento y mantenimiento de las diferentes opciones.

Con los sistemas neumáticos, un compresor funciona mediante electricidad para generar el aire comprimido necesario para dichos actuadores. El aire generado es suministrado mediante una red de tuberías y otros circuitos de transmisión del aire a los cilindros y otros actuadores neumáticos. Es en estos últimos dispositivos donde esta energía se convierte en una fuerza de movimiento lineal. Este conjunto de mecanismo está sujeto a una pérdida energética sustancial.

Eficiencia energética de los dispositivos neumáticos

Según el Instituto Tecnológico de Tokio, la eficiencia energética de los dispositivos neumáticos ronda el 14%. Del 100% de la energía consumida…

  • Un 50% de la potencia se pierde en el propio compresor de aire, debido a diferentes factores como las propias pérdidas energéticas de compresión de aire, las pérdidas del motor del compresor, las pérdidas de los ciclos de marcha-paro
  • Un 16% de pérdida de energía en las diferentes válvulas de reducción y adaptación de presión
  • Un 5% de pérdida de energía en el tratamiento del aire, filtros...
  • Un 15% de pérdida de energía en el propio actuador neumático
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En los actuadores eléctricos de IaI, las revoluciones de giro del motor eléctrico rotativo se convierten mecánicamente en fuerza de movimiento lineal.

Se debe tener en cuenta el coste de la instalación global, no sólo del cilindro neumático, sino de todo el conjunto que comprende el compresor, la instalación neumática de tuberías de la empresa, filtros… Y el aire comprimido no es gratis. El coste económico de generación de 1 Nm3 de aire comprimido cuesta a la empresa en torno a 0,013 euros, según datos de proveedores de instalaciones neumáticas (en base a una estimación de coste de kWh a 0,12 euros).

Además, los sistemas de aire comprimido siempre tienen fugas. Actualmente, muchas instalaciones sufren unas pérdidas por fugas que representan entre el 25% y el 30% del consumo total del compresor. Un orificio de 1 milímetro de diámetro en el circuito de aire supone una fuga de 3,5 Nm3/h de aire, lo que genera unas pérdidas a la empresa de 300 euros anuales. Si la fuga es a través de un agujero de 5 milímetros, la pérdida de 85 Nm3/h supondrá la friolera de 7.300 euros anuales.

En los actuadores eléctricos de IaI y ExlaR las revoluciones de giro del motor eléctrico rotativo se convierten mecánicamente en fuerza de movimiento lineal mediante un sistema de transmisión energéticamente eficiente. En el caso de los motores lineales de LinMot y SmaC, donde la propia energía eléctrica del motor se transforma en un trabajo lineal, ni siquiera hay un sistema mecánico de transmisión de fuerza circular-lineal. La eficiencia energética de estos actuadores eléctricos ronda entre el 80% y el 92%, lo que conlleva unos costes energéticos de funcionamiento de entre un tercio y una décima parte de lo que supondría la factura energética de los sistemas neumáticos.

El cilindro neumático obtiene la energía a través de la presión de un caudal de aire comprimido sobre un émbolo. Todas las fases del movimiento, aceleración, velocidad constante y deceleración consumen potencia producida por el compresor a partir de electricidad. La diferencia de energía entre la consumida y la producida en el movimiento se traduce directamente en pérdidas, ya que los sistemas neumáticos no pueden devolver energía al compresor. En cambio, los actuadores de Larraioz utilizan la energía directamente de la red eléctrica con un alto grado de eficiencia, consumiendo únicamente en las fases donde realmente hay trabajo, es decir, en las fases de aceleración, y además devolviendo al controlador la energía producida en las fases de deceleración.

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Los sistemas LinMot (en la imagen), IaI, SmaC y ExlaR tienen como objetivo clave la sustitución de los tradicionales sistemas neumáticos.

Evaluación de los costes energéticos

Se puede evaluar la diferencia de costes energéticos mediante un ejemplo. Optemos por un trabajo repetitivo de desplazamiento de 15 kilos de masa 400 milímetros adelante y atrás, con ciclos de parada intermedios de 500 ms, y que suponga un tiempo total de ciclo de 2 segundos (30 ciclos completos por minuto). Para ello, compararemos los resultados de un cilindro neumático frente a la solución LinMot.

Si queremos desplazar la masa de 15 kilos un recorrido de 400 milímetros en 500 ms necesitaremos alcanzar una velocidad de 1 m/s, lo que nos resulta en un cilindro neumático de 50 milímetros de diámetro interior como mínimo. Cada ciclo nos resulta en un volumen de aire de 10 litros, y suponiendo 8.000 horas de funcionamiento al año, tendremos 24.000 metros cúbicos de aire a 6 bares anuales (145.000 metros cúbicos de aire a 1 bar), unos 25.600 kWh de energía consumida, o lo que es lo mismo, 3.072 euros anuales de coste de energía eléctrica para mantener este dispositivo neumático en funcionamiento.

Una solución tipo con motor lineal de LinMot nos resulta con una potencia de motor inferior a 100 W, una energía anual consumida de 800 kWh, y una factura energética de 98 euros anuales. Con la elección de actuador LinMot los costes de inversión han sido mayores que los costes iniciales de la solución neumática, pero la diferencia ha sido amortizada en tan sólo 5 meses de operación. Tras 12 meses de actividad, la solución LinMot ha supuesto un ahorro de 1.750 euros frente al cilindro neumático.

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Diferencias entre un sistema neumático y un sistema LinMot.

Otras ventajas

Pero no todos los beneficios de estas soluciones vienen derivados del ahorro energético, precisión en el posicionado, repetitividad, sencillez y economía de instalación, superior control del sistema (control constante de la fuerza, velocidad y posición), reducción de variables externas que puedan afectar al proceso (presión de aire), sin mantenimiento (sin aceites, sin retenes a cambiar), aumento de la vida mecánica del sistema al controlar aceleraciones y paradas. Veamos un ejemplo:

Un afamado fabricante de automóviles optó por las soluciones de IaI frente a las anteriores instalaciones neumáticas. La aplicación consistía en un sistema para calentar y adherir conductos (tubos de resina). Para desplazar el útil de calentamiento y los conductos se empleó actuadores Robocylinder, obteniendo una buena repetitividad de movimiento y completando la tarea con éxito.

En el sistema neumático, ajustar la velocidad y la fuerza durante la unión de los conductos es complicado y engorroso. Esto causaba problemas de adhesión y el ratio de defectos llegaba al nada despreciable 10%. A diferencia de la solución neumática, el sistema Robocylinder ofrece un fácil ajuste de velocidad y fuerza de empuje, además de una elevada repetitividad. Como resultado el ratio de defectos disminuyó a 3%.

Con una producción del fabricante de 240.000 piezas/año y un coste pieza de 1,2 euros, la solución neumática le suponía unas pérdidas de 28.800 euros/año frente a los 8.640 euros de pérdida achacable a la solución Robocylinder, es decir, una mejora de rentabilidad de más de 20.000 euros.

Larga vida útil

Un último parámetro a tener en cuenta es el de la vida útil de los diferentes dispositivos y su mantenimiento. La estimación de vida de un cilindro neumático de un recorrido menor a 100 milímetros es de 25 millones de ciclos, o 10.000 kilómetros para cilindros de carrera superior a los 100 milímetros. La vida útil de los actuadores de LinMot entra en una horquilla de entre 500 y 1.000 millones de ciclos. Una solución neumática ejecutando un ciclo por segundo no soportaría un año, frente a los 15-20 años de esperanza de funcionamiento del actuador LinMot.

Todos los Robocylinders de IaI disponen como estándar de AQ seal, que consiste en una banda de resina impregnada de lubricante solidificado. Esta innovadora tecnología de lubricación asegura una no necesidad de mantenimiento durante 5.000 kilómetros de desplazamiento o 3 años.

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Expectativa de vida útil.

Dentro del contexto de importantes acuerdos internacionales como el Protocolo de Kioto, del cual Europa es uno de los principales impulsores, la reducción de emisiones de CO2 se ha convertido en una prioridad política y pública. La producción de CO2 de las plantas productoras de energía depende del combustible primario empleado y del factor de eficiencia de conversión energética. Es evidente la apuesta de los gobiernos europeos por los medios de producción de energía menos contaminantes, y empiezan a proliferar los parques eólicos y solares y las centrales de ciclo combinado, pero a día de hoy hay mucho trabajo por hacer y la energía producida por las centrales de combustibles fósiles supone una fracción realmente importante, llegando en algunos países de la Europa de los 15 a superar el 90% del total. Según datos del Frauhofer Institut (Alemania), para un factor de eficiencia energética medio de 0,39, nos encontramos con unas emisiones de CO2 de entre 515 y 890 gramos para la generación de 1 kWh de electricidad, a partir de centrales de combustión de gas natural y centrales de combustión de carbón, respectivamente.

Una solución neumática como la descrita anteriormente, que suponga un consumo anual de 25.600 kWh de energía, va a emitir a la atmósfera entre 12 y 22 toneladas de CO2, frente a las emisiones de CO2 de entre 0,4 y 0,7 toneladas de los actuadores eléctricos de Larraioz. Y multipliquemos esto por el número de diferentes unidades que disponga en la empresa. Emplear la energía de forma eficiente y racional, eligiendo las soluciones de automatización más adecuadas para cada caso, no sólo ayuda a las empresas, nos ayuda a todos.

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